Java多线程
Java高级是面向高级语法部分，主要是服务于一些高级的操作，例如文件、异常、注解、数据结构、多任务、网络通信和数据库等。
多线程技术是Java实现多任务的一个手段，能够用于提高程序运行的效率。
# 多线程
# 多线程介绍
进程：指正在运行的程序。确切的来说，当一个程序进入内存运行，即变成一个进程，进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定独立功能。
线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。
简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程。
那么什么是多线程呢？
即就是一个程序中有多个线程在同时执行。
通过以下这个例子来区别单线程程序和多线程程序的不同：
单线程程序：若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后，下一个任务开始执行。
比如：去网吧上网，网吧只能让一个人上网，当这个人下机后，下一个人才能上网。
多线程程序：若有多个任务可以同时执行。
比如：去网吧上网，网吧能够让多个人同时上网。
线程在CPU内是使用以下两种策略来进行调度。
- 分时调度：所有线程轮流使用CPU的使用权，平均分配每个线程占用CPU的时间。
- 抢占式调度：优先让优先级高的线程使用CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个（线程随机性）。
在Java内使用的是抢占式调度。大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。
实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。 其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。
# 主线程
回想我们以前学习中写过的代码，当我们在dos命令行中输入java空格类名回车后，启动JVM，并且加载对应的class文件。虚拟机并会从main方法开始执行我们的程序代码，一直把main方法的代码执行结束。如果在执行过程遇到循环时间比较长的代码，那么在循环之后的其他代码是不会被马上执行的。如下代码演示：
class Demo{
String name;
Demo(String name){
this.name = name;
}
void show() {
for (int i=1;i<=10000 ;i++ ) {
System.out.println("name="+name+",i="+i);
}
}
}
class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
Demo d = new Demo("小强");
Demo d2 = new Demo("旺财");
d.show();
d2.show();
System.out.println("Hello World!");
}
}
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若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多，这时在d.show();下面的代码是不会马上执行的，并且在dos窗口会看到不停的输出name=小强,i=值，这样的语句。为什么会这样呢？
原因是：jvm启动后，必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的，一直执行到main方法结束，这个线程在java中称之为主线程。当程序的主线程执行时，如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长，则无法马上执行下面的程序，需要等待循环结束后能够执行。
那么，能否实现一个主线程负责执行其中一个循环，再由另一个线程负责其他代码的执行，最终实现多部分代码同时执行的效果？
能够实现同时执行，通过Java中的多线程技术来解决该问题。
# 创建线程方式——继承Thread类
在Java内创建线程的其中一个方式是继承Thread类，子类重写Thread类的run方法，创建对象，开启线程。Thread类是程序中的执行线程。Java虚拟机运行应用程序并发地运行多个执行程序。
构造方法
常用方法
创建线程的步骤：
- 定义一个类继承Thread。
- 重写run方法。
- 创建子类对象，就是创建线程对象。
- 调用start方法，开启线程并让线程执行，同时还会告诉jvm去调用run方法。
public class MyThread extends Thread {
//定义指定线程名称的构造方法
public MyThread(String name) {
//调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
super(name);
}
/**
* 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
*/
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
}
}
}
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public class ThreadDemo01 {
public static void main(String[] args) {
//创建自定义线程对象
MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
//开启新线程
mt.start();
//在主方法中执行for循环
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("main线程！"+i);
}
}
}
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思考：线程对象调用 run方法和调用start方法区别？
线程对象调用run方法不开启线程。仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程，并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。
每个线程都有标识自己的名字和引用，可用以下方法来获取相应的信息。
public class MyThread extends Thread { //继承Thread
MyThread(String name){
super(name);
}
//复写其中的run方法
public void run(){
for (int i=1;i<=20 ;i++ ){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i);
}
}
}
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public class ThreadDemo02 {
public static void main(String[] args) {
// 创建两个线程任务
MyThread d1 = new MyThread("Thread01");
MyThread d2 = new MyThread("Thread02");
d1.run(); // 没有开启线程，在主线程调用run方法
d2.start(); // 开启一个新线程，新线程调用run方法
}
}
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# 创建线程方式——实现Runnable接口
创建线程的另一种方式是声明实现Runnable接口的类，然后实现run方法，接着创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。
接口中的方法
Thread类构造方法
创建线程的步骤。
- 定义类实现Runnable接口。
- 覆盖接口中的run方法。
- 创建Thread类的对象。
- 将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。
- 调用Thread类的start方法开启线程。
public class MyRunnable implements Runnable{
// 定义线程要执行的run方法逻辑
@Override
public void run() {
for(int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("我的线程：正在执行 ! " + i);
}
}
}
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public class ThreadDemo03 {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程执行目标类对象
Runnable runn = new MyRunnable();
// 将Runnable接口的子类作为参数传递给THread类的构造函数
Thread t1 = new Thread(runn);
Thread t2 = new Thread(runn);
// 开启线程
t1.start();
t2.start();
for (int i = 0; i< 10; i++) {
System.out.println("main线程：正在执行 " + i);
}
}
}
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实现Runnable的好处：第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性，所以较为常用。
继承Thread类，线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象，既是线程对象，有又有线程任务。
实现Runnable接口，更加的符合面向对象。线程分为两部分，一部分线程对象，一部分线程任务。
实现Runnable接口，将线程任务单独分离出来封装成对象，类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。
# 线程的匿名内部类使用
使用线程的匿名内部类，可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。
方式1：创建线程对象时，直接重写Thread类中的run方法
/** * 线程演示——线程匿名内部类 */ public class ThreadDemo04 { public static void main(String[] args) { // 创建线程对象，直接重写Thread类中的run方法 new Thread() { public void run() { for(int x = 0; x < 40; x++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + x); } } }.start(); } }1
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15方式2：使用匿名内部类的方式实现Runnable接口，重新Runnable接口中的run方法
/** * 线程演示——线程匿名内部类 */ public class ThreadDemo05 { public static void main(String[] args) { Runnable r = new Runnable() { @Override public void run() { for(int x = 0; x < 40; x++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " +x); } } }; new Thread(r).start(); } }1
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# 线程池
# 线程池介绍
线程池，其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。
我们详细的解释一下为什么要使用线程池？
在java中，如果每个请求到达就创建一个新线程，开销是相当大的。在实际使用中，创建和销毁线程花费的时间和消耗的系统资源都相当大，甚至可能要比在处理实际的用户请求的时间和资源要多的多。除了创建和销毁线程的开销之外，活动的线程也需要消耗系统资源。如果在一个jvm里创建太多的线程，可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。为了防止资源不足，需要采取一些办法来限制任何给定时刻处理的请求数目，尽可能减少创建和销毁线程的次数，特别是一些资源耗费比较大的线程的创建和销毁，尽量利用已有对象来进行服务。
线程池主要用来解决线程生命周期开销问题和资源不足问题。通过对多个任务重复使用线程，线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟。这样，就可以立即为请求服务，使用应用程序响应更快。另外，通过适当的调整线程中的线程数目可以防止出现资源不足的情况。
# 使用线程池——Runnable接口
通常，线程池都是通过线程池工厂创建，再调用线程池中的方法获取线程，再通过线程去执行任务方法。
Executors：线程池创建工厂类
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)：返回线程池对象
ExecutorService：线程池类
Future<?> submit(Runnable task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行。Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用
使用线程池中线程对象的步骤：
- 创建线程池对象
- 创建Runnable接口子类对象
- 提交Runnable接口子类对象
- 关闭线程池
public class SwimRunnable implements Runnable{
@Override
public void run() {
System.out.println("我要一个教练");
try{
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("教练来了： " + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("结束！ 教练回到游泳池");
}
}
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import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* 线程演示——线程池
*/
public class ThreadDemo06 {
public static void main(String[] args) {
//创建线程池对象
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2); // 包含2个线程对象
// 创建Runnable实例对象
SwimRunnable sr = new SwimRunnable();
//自己创建线程对象的方式
//Thread t = new Thread(sr);
//t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run()
//从线程池中获取线程对象，然后调用SwimRunnable中的run
threadPool.submit(sr);
//再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run()
threadPool.submit(sr);
threadPool.submit(sr);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中
//关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
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# 使用线程池——Callable接口
Callable接口与Runnable接口功能相似，用来指定线程的任务。其中的call()方法，用来返回线程任务执行完毕后的结果，call方法可抛出异常。
ExecutorService：线程池类
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行线程中的call()方法Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用
使用线程池中线程对象的步骤：
- 创建线程对象
- 创建Callable接口子类对象
- 提交Callable接口子类对象
- 关闭线程池
import java.util.concurrent.Callable;
public class MyCallable implements Callable {
@Override
public Object call() throws Exception {
System.out.println("我要一个教练: call");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("教练来了：" + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("结束！ 教练回到游泳池");
return null;
}
}
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import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ThreadDemo07 {
public static void main(String[] args) {
//创建线程池对象
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
//创建Callable对象
MyCallable c = new MyCallable();
//从线程池中获取线程对象,然后调用MyCallable中的call()
service.submit(c);
//再获取个教练
service.submit(c);
service.submit(c);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中
//关闭线程池
service.shutdown();
}
}
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# 线程安全问题
所谓线程安全是指如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码，若程序运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他变量的值也和预期的是一样的，那就是线程安全。
通过一个案例，演示线程的安全问题。
# 案例演示
电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)。需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟。
public class Ticket implements Runnable {
//共100票
int ticket = 100;
@Override
public void run() {
//模拟卖票
while(true){
if (ticket > 0) {
//模拟选坐的操作
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
}
}
}
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/**
* 线程安全问题演示
*/
public class ThreadDemo08 {
public static void main(String[] args) {
// 创建票对象
Ticket ticket = new Ticket();
// 创建3个窗口
Thread t1 = new Thread(ticket , "窗口1");
Thread t2 = new Thread(ticket , "窗口2");
Thread t3 = new Thread(ticket , "窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
// 输出内容
窗口3正在卖票：33
窗口1正在卖票：32
窗口2正在卖票：33
......
窗口2正在卖票：4
窗口3正在卖票：3
窗口1正在卖票：2
窗口2正在卖票：1
窗口3正在卖票：0
窗口1正在卖票：-1
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- 票数出现了重复的票
- 出现了错误的票，例如0和-1
这就是线程安全的问题。线程安全问题都是由全局变量以及静态变量引起的。
若每个线程中对全局变量和静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；
若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程安全，否则可能出现类似于上面的异常的结果。
# 线程同步（线程安全处理Synchronized）
Java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。
线程同步的方式有两种：
- 方式1：同步代码块
- 方法2：同步方法
# 同步代码块
在代码块声明上加上synchronized
synchronized (锁对象) {
可能会产生线程安全问题的代码
}
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同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。
使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：
public class TicketSafe01 implements Runnable{
// 票数
int ticket = 100;
// 定义锁对象
Object lock = new Object();
@Override
public void run() {
// 模拟卖票
while (true) {
// 同步代码块
synchronized (lock) {
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
// 休眠时间长一些，不然单个线程抢占锁
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票：" + ticket--);
}
}
}
}
}
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当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。
# 同步方法
在方法声明上加上synchronized
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
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同步方法中的锁对象是this。
public class TicketSafe02 implements Runnable{
// 票数
int ticket = 100;
// 定义锁对象
Object lock = new Object();
@Override
public void run() {
// 模拟卖票
while (true) {
}
}
// 同步方法，锁对象this
public synchronized void method() {
if (ticket > 0) {
//模拟选坐的操作
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
}
}
}
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# 静态同步方法
在方法声明上加上static synchronized
public static synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
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静态同步方法中的锁对象是 类名.class
# 线程死锁问题
同步锁使用的弊端：当线程任务中出现多个同步（多个锁）时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引起一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。
synchronzied(A锁){
synchronized(B锁){
}
}
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定义锁对象类
public class MyLock { public static final Object lockA = new Object(); public static final Object lockB = new Object(); }1
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4线程任务类
public class ThreadTask implements Runnable { int x = new Random().nextInt(1);//0,1 //指定线程要执行的任务代码 @Override public void run() { while(true){ if (x%2 ==0) { //情况一 synchronized (MyLock.lockA) { System.out.println("if-LockA"); synchronized (MyLock.lockB) { System.out.println("if-LockB"); System.out.println("if大口吃肉"); } } } else { //情况二 synchronized (MyLock.lockB) { System.out.println("else-LockB"); synchronized (MyLock.lockA) { System.out.println("else-LockA"); System.out.println("else大口吃肉"); } } } x++; } } }1
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29测试类
/** * 死锁演示 */ public class ThreadDemo10 { public static void main(String[] args) { // 创建线程任务对象 ThreadTask task = new ThreadTask(); // 创建两个线程 Thread t1 = new Thread(task); Thread t2 = new Thread(task); // 启动线程 t1.start(); t2.start(); } }1
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# Lock接口
Lock实现提供了比使用synchronized方法和语句更为广泛的锁操作。
Lock接口中的常用方法
Lock提供了一个更加面向对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。
我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TicketLock implements Runnable{
// 票数
int ticket = 100;
// 创建Lock锁对象
Lock ck = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
// 模拟卖票
while (true) {
ck.lock(); // 获取锁
if(ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
}
ck.unlock(); // 释放锁
}
}
}
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# 等待唤醒机制
在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信。多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。
这种手段即——等待唤醒机制。
等待唤醒机制所涉及到的方法：
- wait()：等待，将正在执行的线程释放其执行资格和执行权，并存储到线程池中。
- notify()：唤醒，唤醒线程池中被wait()的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。
- notifyAll()：唤醒全部，可以将线程池中的所有wait()线程全部唤醒
其实，所谓唤醒的意思就是让线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。
仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法 并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？
因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。
接下里，我们先从一个简单的示例入手：
如上图说示，输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：
- 当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();
- 当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。
下面代码，模拟等待唤醒机制的实现：
模拟资源类
public class Resource { private String name; private String sex; private boolean flag = false; public synchronized void set(String name, String sex) { if(flag) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } // 设置成员变量 this.name = name; this.sex = sex; System.out.println("Resource设置值——姓名："+name + ", 性别："+sex); // 若Resource中有值，则标记为true flag = true; // 唤醒output this.notify(); } public synchronized void out() { if(!flag) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } // 输出数据 System.out.println("Resource输出值——姓名：" + name + "，" + "性别：" + sex); // 改变标记 flag = false; // 唤醒input this.notify(); } }1
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40输入线程任务类
public class InputThread implements Runnable{ private Resource r; public InputThread(Resource r) { this.r = r; } @Override public void run() { int count = 0; while (true) { if(count == 0) { r.set("小米" , "boy"); } else { r.set("小花", "gril"); } // 切换 count = (count + 1) % 2; } } }1
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22输出线程任务类
public class OutputThread implements Runnable{ private Resource r; public OutputThread(Resource r) { this.r = r; } @Override public void run() { while (true) { r.out(); } } }1
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15测试类
/** * 等待唤醒机制演示 */ public class ThreadDemo12 { public static void main(String[] args) { // 创建资源对象 Resource r = new Resource(); // 任务对象 InputThread in = new InputThread(r); OutputThread out = new OutputThread(r); // 线程对象 Thread t1 = new Thread(in); Thread t2 = new Thread(out); //开启线程 t1.start(); t2.start(); } }1
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